超硬材料網

       近日，西安電子科技大學郝躍院士團隊張進成教授、張金風教授研究組在超寬禁帶半導體金剛石功率器件方向取得重要進展。在國際知名期刊《IEEE Electron Device Letters》上發表了題為“Integration of Oxidized Silicon- and Hydrogen-terminated Diamond p-channels for Normally-off High-voltage Diamond Power Devices”的最新研究成果，西電為第一完成單位，團隊博士后付裕為本文第一作者。該研究將硅終端和氫終端金剛石的優勢相結合，提出采用硅/氫終端金剛石復合導電通道的增強型金剛石高壓場效應管新結構，器件實現了高閾值電壓（-8.6 V）和高擊穿電壓（-1376 V）的優異性能，為下一代高耐壓、高效率電力電子系統提供了重要技術路徑。

       金剛石是超寬禁帶半導體的典型代表，具有禁帶寬度大（5.5 eV）、擊穿場強高（13 MV/cm）、熱導率高（22 W·cm-1·K-1）等優點，在高壓、大功率、高溫、極端環境電子器件及探測器應用中具有顯著優勢，也被譽為“終極半導體”材料，成為國內外爭相布局的研究熱點。金剛石在不同的表面終端條件下，表面的物理和電學性質會發生顯著的變化，其中氫終端和硅終端金剛石都可形成表面p型電導（二維空穴氣2DHG），分別具有載流子濃度高和介質膜/金剛石界面質量好等特點。經過多年的發展，基于二維空穴氣表面溝道的耗盡型氫終端金剛石MOSFET器件性能取得了長足進步；通過對氫終端金剛石MOSFET的柵下溝道或柵介質進行特殊處理，器件也可實現增強型工作模式。然而，現有增強型金剛石場效應管的溝道性能不夠理想，存在界面電荷調控難度大等問題，導致器件閾值電壓絕對值較低，嚴重阻礙了高性能金剛石功率器件的發展。

       近年來，硅終端金剛石技術受到高度關注：表面碳–硅鍵能夠基本維持金剛石的sp3結構，界面質量優異；氧化后硅終端金剛石表面的電導率降低，有利于實現高閾值電壓增強型器件。受此啟發，研究團隊創新性地將氫終端金剛石的高電導特性和硅終端金剛石的高界面質量特性優勢相結合，提出將硅終端金剛石作為柵控溝道、將氫終端金剛石作為柵源通道區與柵漏漂移區的器件新結構，突破了增強型金剛石場效應管的低閾值電壓和耐壓瓶頸。器件工藝采用先制備高質量硅終端金剛石、再利用低損傷刻蝕和氫化工藝制備氫終端金剛石的技術方案，并且通過版圖設計在同一襯底上制備了硅/氫復合終端，和單一氫終端金剛石器件作了對比。

圖1 簡化的器件制備工藝示意圖

圖2 器件和終端結構示意圖

       實驗結果表明，氫終端金剛石結構的表面粗糙度僅為1.05 nm，保證了器件漂移區的載流子傳輸效率。此外，器件在寬達50 V的柵壓擺幅范圍內保持低于10 mA/mm的漏極電流與柵極泄漏電流，開關比超過10 ，展現出優異的開關特性。最終，器件實現了高達-8.6 V的高閾值電壓，并具備-1376 V的關態擊穿電壓，擊穿場強達到1.2 MV/cm，指標優于國內外同類器件水平。這一結果是國際上硅終端溝道金剛石器件高壓特性的第一次報道，其kV級擊穿電壓具有里程碑式意義，為該類器件在未來高壓大功率系統中的應用奠定了基礎。

圖3 器件漂移區氫終端金剛石表面AFM測試結果以及器件輸出特性結果

圖4 器件轉移特性結果

圖5 器件擊穿特性和閾值電壓統計結果

       該研究得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金創新群體/杰青/重點項目、中國博士后基金項目等的資助。